Matriz de suelo - Soil matrix

La matriz del suelo es la fase sólida de los suelos y comprende las partículas sólidas que forman los suelos. Las partículas del suelo se pueden clasificar por su composición química ( mineralogía ) así como por su tamaño. La distribución del tamaño de partícula de un suelo, su textura , determina muchas de las propiedades de ese suelo, en particular la conductividad hidráulica y el potencial hídrico , pero la mineralogía de esas partículas puede modificar fuertemente esas propiedades. La mineralogía de las partículas más finas del suelo, la arcilla, es especialmente importante.

Grava, arena y limo

La grava , la arena y el limo son las partículas más grandes del suelo , y su mineralogía a menudo se hereda del material original del suelo, pero puede incluir productos de la intemperie (como concreciones de carbonato de calcio u óxido de hierro ) o residuos de la vida vegetal y animal. (como los fitolitos de sílice ). El cuarzo es el mineral más común en la fracción de arena o limo, ya que es resistente a la intemperie química , excepto en climas cálidos; otros minerales comunes son feldespatos , micas y minerales ferromagnesianos como piroxenos , anfíboles y olivinos , que se disuelven o transforman en arcilla bajo la influencia combinada de procesos físico-químicos y biológicos.

Coloides minerales; arcillas del suelo

Debido a su alta superficie específica y sus cargas eléctricas negativas desequilibradas , la arcilla es el componente mineral más activo del suelo. Es un material coloidal y más a menudo cristalino. En los suelos, la arcilla es una clase de textura del suelo y se define en un sentido físico como cualquier partícula mineral de menos de 2 μm (8 × 10 ^{−5 pulgadas}  ) de diámetro efectivo. Muchos minerales del suelo, como yeso, carbonatos o cuarzo, son lo suficientemente pequeños como para ser clasificados como arcilla en función de su tamaño físico, pero químicamente no ofrecen la misma utilidad que los minerales arcillosos definidos mineralógicamente . Químicamente, los minerales de arcilla son una gama de minerales filosilicatos con ciertas propiedades reactivas.

Antes de la llegada de la difracción de rayos X, se pensaba que la arcilla eran partículas muy pequeñas de cuarzo , feldespato , mica , hornblenda o augita , pero ahora se sabe que es (con la excepción de las arcillas a base de mica) un precipitado con una composición mineralógica. que depende pero es diferente de sus materiales parentales y está clasificado como mineral secundario. El tipo de arcilla que se forma depende del material original y de la composición de los minerales en solución. Los minerales arcillosos continúan formándose mientras exista el suelo. Las arcillas a base de mica resultan de una modificación del mineral de mica primario de tal manera que se comporta y se clasifica como arcilla. La mayoría de las arcillas son cristalinas, pero algunas arcillas o algunas partes de los minerales arcillosos son amorfas. Las arcillas de un suelo son una mezcla de varios tipos de arcilla, pero predomina un tipo.

Por lo general, hay cuatro grupos principales de minerales arcillosos: caolinita , montmorillonita : esmectita , ilita y clorita . La mayoría de las arcillas son cristalinas y la mayoría están formadas por tres o cuatro planos de oxígeno unidos por planos de aluminio y silicio por medio de enlaces iónicos que juntos forman una sola capa de arcilla. La disposición espacial de los átomos de oxígeno determina la estructura de la arcilla. La mitad del peso de la arcilla es oxígeno, pero en volumen, el oxígeno es el noventa por ciento. Las capas de arcilla a veces se mantienen juntas a través de enlaces de hidrógeno , puentes de sodio o potasio y, como resultado, se hinchan menos en presencia de agua. Las arcillas como la montmorillonita tienen capas que están unidas flojamente y se hinchan mucho cuando el agua interviene entre las capas.

En un sentido más amplio, las arcillas se pueden clasificar como:

1. Capa Arcillas aluminosílicas cristalinas : montmorillonita , illita , vermiculita , clorita , caolinita .
2. Minerales de carbonato y sulfato de cadena cristalina : calcita (CaCO ₃ ), dolomita (CaMg (CO ₃ ) ₂ ) y yeso (CaSO ₄ · 2H2O).
3. Arcillas amorfas : mezclas jóvenes de sílice (SiO ₂ -OH) y alúmina (Al (OH) ₃ ) que no han tenido tiempo de formar cristales regulares.
4. Arcillas sesquióxido : arcillas viejas muy lixiviadas que dan como resultado óxidos de hierro , aluminio y titanio .

Arcillas de alumino-sílice

Las arcillas aluminosílice o aluminosilicato se caracterizan por su estructura regular cristalina o cuasicristalina. El oxígeno en los enlaces iónicos con el silicio forma una coordinación tetraédrica (silicio en el centro) que a su vez forma láminas de sílice . Dos hojas de sílice están unidas por un plano de aluminio que forma una coordinación octaédrica , llamada alúmina , con los oxígenos de la hoja de sílice arriba y abajo. Los iones hidroxilo (OH ^- ) a veces sustituyen al oxígeno. Durante el proceso de formación de la arcilla, el Al ³⁺ puede sustituir al Si ⁴⁺ en la capa de sílice, y hasta una cuarta parte del aluminio Al ³⁺ puede sustituirse por Zn ²⁺ , Mg ²⁺ o Fe ²⁺ en la alúmina. capa. La sustitución de cationes de valencia más baja por cationes de valencia más alta ( sustitución isomorfa ) le da a la arcilla una carga negativa local en un átomo de oxígeno que atrae y retiene agua y cationes del suelo cargados positivamente, algunos de los cuales son valiosos para el crecimiento de las plantas . La sustitución isomorfa ocurre durante la formación de la arcilla y no cambia con el tiempo.

• La arcilla de montmorillonita está hecha de cuatro planos de oxígeno con dos de silicio y un plano de aluminio central interviniendo. Por lo tanto, se dice que la arcilla de montmorillonita de aluminosilicato tiene una proporción de 2: 1 de silicio a aluminio, en resumen, se llama un mineral de arcilla 2: 1. Los siete planos juntos forman un solo cristal de montmorillonita. Los cristales se mantienen débilmente unidos y el agua puede intervenir, lo que hace que la arcilla se hinche hasta diez veces su volumen seco. Ocurre en suelos que han tenido poca lixiviación, por lo que se encuentra en regiones áridas, aunque también puede ocurrir en climas húmedos, dependiendo de su origen mineralógico. Como los cristales no están unidos cara a cara, toda la superficie está expuesta y disponible para reacciones superficiales, por lo que tiene una alta capacidad de intercambio catiónico (CEC).
• La illita es una arcilla 2: 1 similar en estructura a la montmorillonita pero tiene puentes de potasio entre las caras de los cristales de arcilla y el grado de hinchamiento depende del grado de meteorización del feldespato de potasio . La superficie activa se reduce debido a los enlaces de potasio. La illita se origina a partir de la modificación de la mica , un mineral primario. A menudo se encuentra junto con la montmorillonita y sus minerales primarios. Tiene CIC moderada.
• La vermiculita es una arcilla a base de mica similar a la illita, pero los cristales de arcilla se mantienen unidos de manera más suelta por el magnesio hidratado y se hincharán, pero no tanto como la montmorillonita. Tiene una CIC muy alta.
• La clorita es similar a la vermiculita, pero la unión suelta por el magnesio hidratado ocasional, como en la vermiculita, se reemplaza por una hoja de magnesio hidratado, que une firmemente los planos por encima y por debajo de ella. Tiene dos planos de silicio, uno de aluminio y otro de magnesio; por tanto, es una arcilla 2: 2. La clorita no se hincha y tiene una CIC baja.
• La caolinita es una arcilla muy común, muy degradada y más común que la montmorillonita en suelos ácidos. Tiene un plano de sílice y un plano de alúmina por cristal; por lo tanto, es una arcilla de tipo 1: 1. Un plano de sílice de montmorillonita se disuelve y se reemplaza con hidroxilos, lo que produce fuertes enlaces de hidrógeno con el oxígeno en el siguiente cristal de arcilla. Como resultado, la caolinita no se hincha en el agua y tiene una superficie específica baja, y como casi no se ha producido ninguna sustitución isomorfa, tiene una CIC baja. Donde la lluvia es alta, los suelos ácidos filtran selectivamente más sílice que alúmina de las arcillas originales, dejando caolinita. Incluso una meteorización más intensa da como resultado arcillas sesquióxido.

Arcillas de cadena cristalina

Los minerales arcillosos de carbonato y sulfato son mucho más solubles y, por lo tanto, se encuentran principalmente en suelos desérticos donde la lixiviación es menos activa.

Arcillas amorfas

Las arcillas amorfas son jóvenes y se encuentran comúnmente en depósitos de cenizas volcánicas recientes como la tefra . Son mezclas de alúmina y sílice que no han formado la forma cristalina ordenada de las arcillas de alúmina-sílice que proporcionaría el tiempo. La mayoría de sus cargas negativas se originan en iones hidroxilo, que pueden ganar o perder un ión hidrógeno (H ⁺ ) en respuesta al pH del suelo, de tal manera que amortiguan el pH del suelo. Pueden tener una carga negativa proporcionada por el ion hidroxilo adjunto (OH ^- ), que puede atraer un catión, o perder el hidrógeno del hidroxilo en solución y mostrar una carga positiva que puede atraer aniones. Como resultado, pueden mostrar una CIC alta en una solución de suelo ácida o una alta capacidad de intercambio aniónico en una solución de suelo básica.

Arcillas de sesquióxido

Las arcillas sesquióxido son un producto de fuertes lluvias que han lixiviado la mayor parte de la sílice de la arcilla alumino-sílice, dejando los óxidos menos solubles hematita de hierro (Fe ₂ O ₃ ), hidróxido de hierro (Fe (OH) ₃ ), hidróxido de aluminio gibbsita (Al (OH) ₃ ), birnessita de manganeso hidratado (MnO ₂ ), como se puede observar en la mayoría de los perfiles de meteorización lateríticos de suelos tropicales. Se necesitan cientos de miles de años de lixiviación para crear arcillas sesquióxido. Sesqui en latín significa "uno y medio": hay tres partes de oxígeno por dos partes de hierro o aluminio; por lo tanto, la razón es uno y medio (no es cierto para todos). Están hidratados y actúan como amorfos o cristalinos. No son pegajosos y no se hinchan, y los suelos que se encuentran en una parte alta de ellos se comportan como arena y pueden pasar agua rápidamente. Pueden contener grandes cantidades de fosfatos, un proceso de absorción que puede inhibirse al menos en parte en presencia de materia orgánica descompuesta ( humificada ). Los sesquióxidos tienen una CIC baja, pero estos minerales de carga variable pueden contener tanto aniones como cationes. Dichos suelos varían de color amarillo a rojo. Tales arcillas tienden a retener el fósforo con tanta fuerza que no está disponible para ser absorbido por las plantas.

Coloides orgánicos

El humus es una de las dos etapas finales de descomposición de la materia orgánica. Permanece en el suelo como componente orgánico de la matriz del suelo mientras que la otra etapa, el dióxido de carbono , se libera libremente en la atmósfera o reacciona con el calcio para formar el bicarbonato de calcio soluble . Si bien el humus puede durar mil años, en la escala más grande de la edad de los componentes minerales del suelo, es temporal y finalmente se libera como CO ₂ . Está compuesto por ligninas muy estables (30%) y azúcares complejos (poliuronidas, 30%), proteínas (30%), ceras y grasas que son resistentes a la degradación por microbios y pueden formar complejos con metales , facilitando su migración descendente. ( podzolización ). Sin embargo, aunque se origina en su mayor parte de órganos vegetales muertos (madera, corteza, follaje, raíces), una gran parte del humus proviene de compuestos orgánicos excretados por organismos del suelo (raíces, microbios, animales) y de su descomposición al morir. Su ensayo químico es 60% de carbono, 5% de nitrógeno, algo de oxígeno y el resto de hidrógeno, azufre y fósforo. Sobre la base del peso seco, la CIC del humus es muchas veces mayor que la de la arcilla.

El humus juega un papel importante en la regulación del carbono atmosférico , a través del secuestro de carbono en el perfil del suelo, más especialmente en horizontes más profundos con actividad biológica reducida . La siembra y la reducción de existencias de carbono del suelo están sometidas a una fuerte influencia climática. Normalmente se equilibran a través de un equilibrio entre la producción y la mineralización de materia orgánica, pero el equilibrio está a favor de la reducción de ganado bajo el calentamiento climático actual , y más especialmente en el permafrost .

Carbono y terra preta

En el ambiente extremo de altas temperaturas y la lixiviación causada por las fuertes lluvias de los bosques tropicales , la arcilla y los coloides orgánicos se destruyen en gran medida. Las fuertes lluvias lavan las arcillas de aluminosilicato del suelo dejando solo arcillas sesquióxido de baja CIC . Las altas temperaturas y la humedad permiten que las bacterias y los hongos descompongan virtualmente cualquier materia orgánica en el suelo de la selva tropical durante la noche y muchos de los nutrientes se volatilizan o se lixivian del suelo y se pierden, dejando solo una fina capa de raíces directamente sobre el suelo mineral. Sin embargo, el carbono en forma de carbón vegetal finamente dividido , también conocido como carbono negro , es mucho más estable que los coloides del suelo y es capaz de realizar muchas de las funciones de los coloides del suelo de los suelos subtropicales. El suelo que contiene cantidades sustanciales de carbón vegetal, de origen antropogénico, se denomina terra preta . En la Amazonia da testimonio del conocimiento agronómico de las civilizaciones amerindias pasadas . Se sospecha que la lombriz de tierra peregrina pantropical Pontoscolex corethrurus contribuye a la división fina del carbón vegetal y su mezcla con el suelo mineral en el marco del cultivo itinerante o de roza y quema actual que todavía practican las tribus amerindias. La investigación sobre terra preta es todavía joven pero prometedora. Los períodos de barbecho "en las Tierras Oscuras del Amazonas pueden ser tan breves como 6 meses, mientras que los períodos de barbecho en oxisoles suelen durar de 8 a 10 años". La incorporación de carbón vegetal al suelo agrícola para mejorar la retención de agua y nutrientes se ha denominado biocarbón y se extiende a otros subproductos carbonizados o ricos en carbono, y ahora se utiliza cada vez más en la agricultura tropical sostenible . El biocarbón también permite la absorción irreversible de pesticidas y otros contaminantes, un mecanismo por el cual disminuye su movilidad y, por lo tanto, su riesgo ambiental. También se ha argumentado como un medio para secuestrar más carbono en el suelo, mitigando así el llamado efecto invernadero . Sin embargo, el uso de biocarbón está limitado por la disponibilidad de madera u otros productos de pirólisis y por los riesgos causados ​​por la deforestación concomitante .

Ver también

• Propiedades físicas del suelo

Referencias

Bibliografía